摘要
由于世界能源总量不断减少，人们对能源的需求不断增加，寻找一种清洁、高效的能源成为当前人们关注的焦点。光伏发电是解决能源短缺的方法之一，但是太阳能电池板输出电压范围宽，受光照、温度以及负载影响大，因此需要加入光伏变换器及储能设备，保证太阳能电池板以最大功率输出。当日照条件不均时，在局部阴影条件下P-V曲线会出现多个峰值的现象，造成光伏变换器无法稳定工作，以及影响太阳能电池板寿命。因此需要设计一种输入范围宽、效率高，而且在不同日照条件下能够有效追踪全局最大功率点的光伏变换器。本文设计了一台2100W光伏变换器，并对其工作特性及控制算法进行研究和分析，本文具体工作内容具体如下：
本文以光伏发电中的光伏变换器为研究对象，阐述了光伏发电以及最大功率跟踪算法的国内外研究现状。根据光伏变换器的指标，分析满足指标要求的光伏变换器拓扑，设计了功率器件、电感和电容等电路主要参数。并计算了光伏变换器的损耗，优化了机箱结构。根据光伏变换器的输入输出范围，设计了相应的采样、保护、通信以及驱动电路。
为实现最大功率跟踪，需要通过光伏变换器控制太阳能电池板的输出电压。本文建立了光伏变换器的小信号模型，并依据电感电流连续及不连续两种情况设计了不同的补偿器，保证光伏变换器能够快速、稳定的控制太阳能电池板输出电压。同时本文分析了光伏变换器的启动方式，提出了光伏变换器软启动控制方法。依据太阳能电池工作原理，建立了太阳能电池板的模型，分析了太阳能电池的工作原理，以及局部阴影条件下的输出特性。由于存在传统最大功率跟踪算法会出现振荡和局部阴影条件下最大功率跟踪算法出现失配的问题，本文对传统最大功率跟踪算法进行了改进，提高了最大功率跟踪的速度和精度，重新设计了局部阴影条件下最大功率跟踪算法，并通过仿真验证了该算法的准确性。
为验证光伏变换器设计的合理性，本文在输出功率为2100W的光伏变换器上进行实验。结果表明，光伏变换器的控制算法及最大功率跟踪算法使用非常有效。
关键词：光伏发电，光伏变换器，局部阴影，最大功率跟踪
Abstract
With the rapidly decreasing energy resources and increasing energy demand, looking for a clean, highly efficient energy has drawn public attention. Photovoltaic cell is one of the method to solve energy shortage. However the photovoltaic cell is to be influenced by the irradiation, temperature and load, and has a wide range of output voltage. Thus, it is necessary to add energy storage device and DC/DC converter to ensure photovoltaic cell’s output at its maximum power point.
This paper regard solar converter as studying subject, by designing and test its power and control circuit and maximum power point tracking algorithm. The main research contents are as follows. First of all, choose the proper photovoltaic converter topology which is suitable for solar cell and battery. Design the main parameters including power devices, inductor and capacitors by the common method. Analyze the possible losses of each component and design reasonable chassis structure.
Then different compensators are established for the small signal model of converter based on whether the inductor’s current is continuous and discontinuous. Based on the principle of solar cell, the model of solar cell and its working mode is analyzed and the maximum power point tracking (MPPT) algorithm is evolved to achieve higher speed and accuracy due to the ambiguous study of photovoltaic converter, oscillation of traditional maximum power point tracking algorithm and mismatch under partially shaded condition. The solar cell under the partially shaded condition (PSC) is also analyzed and its algorithm is improved.
Finally, simulations and experiments are made to verify the output character of solar cell and accuracy and stability of photovoltaic converter.
Key words: PV array, photovoltaic converter, partially shade condition, maximum power point tracking
目录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.2.1光伏发电系统研究现状 2
1.2.2光伏变换器拓扑与模型 3
1.2.3最大功率跟踪算法研究现状 4
1.2.4局部阴影条件检测研究现状 8
1.3主要研究内容 9
第2章 光伏DC/DC变换器建模与设计 10
2.1光伏DC/DC变换器技术指标及总体结构 10
2.2光伏DC/DC变换器拓扑设计 11
2.3光伏DC/DC变换建模与控制 12
2.3.1光伏DC/DC变换器参数设计 12
2.3.2光伏DC/DC变换器模型建立 15
2.3.3光伏DC/DC变换器补偿器设计 20
2.4本章小节 25
第3章 基于电导增量法的最大功率跟踪算法设计与改进 26
3.1太阳能电池板建模 26
3.1.1太阳能电池的工作原理 26
3.1.2太阳能电池的物理模型 27
3.1.3太阳能电池板输出特性拟合 31
3.2电导增量法设计与改进 32
3.3改进电导增量法仿真分析 35
3.4本章小节 38
第4章 局部阴影条件下的最大功率跟踪算法设计 39
4.1局部阴影下最大太阳能电池板工作特性 39
4.2局部阴影条件下最大功率跟踪算法电压步长选取 41
4.3基于电压窗与功率三角形的最大功率跟踪算法 43
4.4日照强度突变判定 46
4.5最大功率跟踪算法仿真分析 47
4.5本章小节 49
第5章 最大功率跟踪算法实验结果 50
5.1光伏DC/DC变换器最大功率跟踪实验 50
5.1.1光伏DC/DC变换器工作特性 50
5.1.2最大功率跟踪实验 53
5.1.3 局部阴影条件下最大功率跟踪实验 55
5.2本章小节 57
第6章 总结与展望 58
6.1全文总结 58
6.2展望 59
参考文献 60
作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文 64
致谢 65
附录I 66
附录II 70
主要研究内容
由于现有研究对光伏变换器输入电压控制研究不足以及对局部阴影下最大功率跟踪有一定缺陷或不适合应用于微控制器，本文对太阳能电池板到储能设备间的DC/DC变换器进行研究，分析了光伏变换器的工作模式，建立了光伏变换器的小信号模型，对光伏变换器的控制方法进行改进，其中重点分析了太阳能电池尤其是局部阴影条件下的工作特性，改进了最大功率跟踪算法，设计并提高了局部阴影条件下最大功率跟踪的速度和精度。全文的主要研究内容如下：
(1)详细介绍本文的研究背景以及国内外研究现状。本文从光伏发电系统、光伏变换器拓扑、最大功率跟踪算法和局部阴影条件下最大功率跟踪四个方面阐述了光伏变换器国内外研究现状，着重对最大功率跟踪算法尤其是局部阴影条件下最大功率跟踪算法进行了介绍。
(2)针对光伏变换器的技术指标，对光伏变换器的整体方案进行了设计。比较了不同光伏变换器的拓扑，分析了控制拓扑的优劣，选取了适当的电路拓扑以及最大功率跟踪算法。
(3)对最大功率跟踪算法，尤其是局部阴影条件下最大功率跟踪算法进行了分析。分析光伏变换器的工作过程，并对恒流充电下光伏变换器进行建模，分析了电感电流连续和不连续两种状态下光伏变换器的模型，设计了对应的补偿控制器。分析了太阳能电池板的输出特性，对太阳能电池板输出特性进行了数学拟合。对光伏变换器在统一光照条件下最大功率跟踪进行了分析，并改进了电导增量法。最后对局部阴影条件下最大功率跟踪算法进行改进，设计并通过仿真验证了该算法的准确性。
(4)对光伏变换器的实验结果进行分析。通过测试太阳能电池板输出特性、光伏变换器开关管电压以及电感电流、机箱运行温度以及最大功率跟踪情况，验证了理论分析的正确性。
